CN111352444A - 基于无线导航的无人机室外移动平台自主降落方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无线导航的无人机室外移动平台自主降落方法及系统，该方法包括以下步骤：1)选择目标降落区域内一点作为坐标原点，建立空间直角坐标系，并在原点位置处设置第四基站，在xyz三个坐标轴正向分别设置第一基站、第二基站和第三基站；2)无人机上安装UWB模块以及无线数传模块；3)采用TOA算法测量定位标签分别与各基站之间的距离L_i，并据此解算得到定位标签的初始位置坐标；4)采用高斯牛顿迭代法对初始位置坐标进行优化得到最接近真实值的标签位置坐标；5)PC端根据标签位置坐标，引导其飞向目标降落区域完成降落。与现有技术相比，本发明具有定位精度高、方法实现简单、解算速度快、实时性强、提供安全性和可靠性等优点。

Description

基于无线导航的无人机室外移动平台自主降落方法及系统

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其是涉及一种基于无线导航的无人机室外移动平台自主降落方法及系统。

背景技术

随着科技进步，无人机技术迅速发展，由于其自主灵活，在军事、海洋、农林等行业的得到广泛应用。获取高精度的导航信息对提高无人机自主化、智能化具有重要意义。

目前常见的无人机导航技术有GPS和视觉导航，两种方法均存在不足，难以保证无人机的安全性，GPS导航是传统方法，在民用无人机中使用较为普遍，但是这种方法定位精度低，GPS信号容易受干扰且穿透能力差，不适用于障碍物多或室内等环境中，视觉导航技术受到飞行距离、光照条件和目标特征的限制，定位范围小，尤其是在阴天或夜晚，且受到目标形状、纹理的影响，导致导航精度差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于无线导航的无人机室外移动平台自主降落方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于无线导航的无人机室外移动平台自主降落方法，包括以下步骤：

1)在降落平台上确定目标降落区域，选择目标降落区域内一点作为坐标原点，建立空间直角坐标系，并在原点位置处设置第四基站，在xyz三个坐标轴正向分别设置第一基站、第二基站和第三基站；

2)无人机上安装作为定位标签的UWB模块以及分别与PC端通信的无线数传模块；

3)采用TOA算法测量定位标签分别与第一基站、第二基站和第三基站之间的距离L_i，并据此解算得到定位标签的初始位置坐标；

4)采用高斯牛顿迭代法对初始位置坐标进行优化得到最接近真实值的标签位置坐标；

5)PC端根据标签位置坐标，通过无线数据传输模块向无人机发送飞行控制指令，引导其飞向目标降落区域的正上方，检测到达目标点后完成降落。

所述的降落平台为静止降落平台或移动降落平台。

所述的步骤3)中，定位标签与第i基站之间的距离L_i的表达式为：

其中，c为光速，T₁为定位标签发送信号和接收回应信号的时间间隔，T_2i为第i个基站接收信号和发出回应信号的时间间隔。

所述的步骤3)中，通过以下公式解算得到定位标签的初始位置坐标(x₀,y₀,z₀)：

其中，(x,y,z)为位置坐标，(a，0，0)、(0，b，0)、(0，0，c)分别为第一基站、第二基站、第三基站的坐标。

所述的步骤4)中，高斯牛顿迭代法具体包括以下步骤：

41)定义定位标签到第i个基站距离为f(α,β)，则有：

α＝(a_i，b_i，c_i)

β＝(x，y，z)

其中，α为第i个基站的坐标，β为定位标签的坐标；

42)计算残差平方和S，则有；

r_i＝L_i-f(α，β)

其中，r_i为残差；

43)为使残差平方和S最小，令偏导数为0，则有：

β_k+1＝β_k+Δβ

其中，下标k表示迭代次数，Δβ为迭代矢量；

44)在β_k处对f(α，β)进行泰勒展开，并省略二阶以上的偏导数项，此时的残差表示为：

45)令

化简得：

J^TJΔβ＝J^T(L_i-f(α，β_k))

即：

β_k+1＝β_k+(J^TJ)^-1J^T(L_i-f(α，β_k))

46)以初始位置坐标β₀＝(x₀，y₀,z₀)为初始值，进行迭代，当满足设定的误差率后，停止迭代，输出真实值，即标签位置坐标。

一种基于无线导航的无人机室外移动平台自主降落系统，该系统包括：

无人机：用以实现跟踪降落；

UWB定位系统：包括多个定位用的基站以及安装在无人机上的UWB模块，用以实现无人机的实时测距定位；

PC端：用以实现位置信息解算以及生成控制指令；

无线数传模块：安装在无人机上，用以传输无人机相对目标降落区域的距离以及PC端的飞行控制指令。

所述的目标降落区域设置在降落平台上，以目标降落区域内的一点为原点建立空间直角坐标系，并分别在原点以及各坐标轴上分别设置基站。

所述的UWB模块包括相互连接的控制器和无线收发芯片。

所述的无线收发芯片型号为DW1000。

所述的控制器为STM32单片机。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明采用了高斯牛顿迭代法得到接近真实值的坐标，解决了传统GPS定位精度差的问题。

2)方法实现简单，抗干扰能力强，解算速度快，增强位置解算的实时性。

3)定位精准，与GPS或者视觉导航信息融合，可显著提高在移动平台上降落的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的设计演示示意图。

图2为基于UWB实现的无人机自主降落系统的结构框图。

图中标记说明：

1、第一基站，2、第二基站，3、第三基站，4、第四基站，5、无人机，6、降落平台，7、UWB模块，8、PC端，9、无线数据传输模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

随着无线定位技术和无线通信技术的发展，超宽带(ultra wide band，UWB)进入人们视野，实现简单，其成为解决复杂环境中定位问题的重要方案之一，UWB技术在用于无人机导航时，主要用于室内定点定位，误差可达厘米级，本发明给出了UWB技术在室外固定的或者移动降落应用中用于无人机导航的方法，解决现有GPS导航和视觉导航下自主降落定位精度差、安全性低的问题，同时提高了抗干扰性能。

本发明的具体内容如下：

首先，在静止或移动降落平台上规划目标降落区域，在该区域内规定一点为原点，建立空间直角坐标系。第一基站、第二基站、第三基站分别位于三个坐标轴的正方向上，记坐标为(a，0，0)、(0，b，0)、(0，0，c)，第四基站位于原点，与PC端连接，能够把其余三个基站测得的位置信息汇总到该基站中，发送到PC端解算。

其次，无人机上安装UWB模块和无线数传模块。UWB模块作为定位标签，其在空间直角坐标系下的坐标代表无人机的位置，记为(x，y，z)。无线数传模块用于将无人机相对目标降落点的距离发送给PC端，并且接收PC端的飞行控制指令。

再者，利用TOA算法测量标签到各个基站的距离L_i，将距离信息汇总到第四基站，发送至PC端。标签发送信号和接收回应信号的时间间隔记为T₁，第i个基站接收信号和发出回应信号的时间间隔为T_2i，光速为c，标签到第i个基站间的距离为

又因为

据此可以解算出一组标签的坐标(x₀,y₀,z₀)。

UWB技术在用于室内定位时，由于环境固定，电磁干扰特征变化不大，对定位的额影响较小。在室外移动背景下使用UWB定位技术时，由于环境在不断变化，会伴有复杂的电磁干扰，从而导致测量出的距离值不理想，解算出的标签坐标不准确。针对这一问题，本发明使用高斯牛顿迭代法得到接近真实值的坐标。记

α＝(a_i，b_i，c_i)

β＝(x,y,z)

α代表基站坐标，β代表标签坐标，标签到基站距离为

残差记为r_i＝L_i-f(α,β)

残差平方和为

为使S最小，求偏导数得

k指迭代次数，Δβ指迭代矢量。

在β_k处对f(α,β)泰勒展开，省略二阶以上的偏导数项，有

此时，残差可表示为

r_i＝L_i-f(α,β)＝L_i-f(α,β_k)+f(α,β_k)-f(α,β)

即

令

化简得

J^TJΔβ＝J^T(L_i-f(α,β_k))

故

β_k+1＝β_k+(J^TJ)^-1J^T(L_i-f(α,β_k)),

以β₀＝(x₀,y₀,z₀)为初始值，按上述方式迭代，当满足给定的误差率后，停止迭代，输出真实值。

最后，得到无人机在平台上的三维位置信息后，作为动态跟踪和降落算法的依据。PC端通过无线数据传输模块发送控制指令，引导无人机飞到目标降落区域的正上方，实现精准降落。

实施例

本发明的基于UWB实现的无人机自主降落系统包含无人机子系统、UWB定位子系统、PC端处理子系统、无线数传模块。其中，无人机执行跟踪降落任务，UWB定位系统由STM32单片机作为控制器、DW1000作为无线收发芯片，用于无人机实时测距定位，PC端用于位置信息解算以及生成控制指令，无线数传用于传输无人机相对目标降落区域距离和PC端的飞行控制指令。该方法的执行过程包括以下8个具体实施步骤。

步骤1：在静止或移动降落平台6上规划目标降落区域，在该区域内规定一点为原点，建立空间直角坐标系，如图1所示；

步骤2：安装UWB模块7于无人机5上，第四基站4安装在坐标系原点，与PC端8连接，第一基站1、第二基站2、第三基站3分别安装在三个坐标轴正方向上，测量3个基站到原点的距离a、b、c，则坐标为(a，0，0)、(0，b，0)、(0，0，c)；

步骤3：利用TOA算法测量标签到各个基站的距离L_i，标签发送信号和接收回应信号的时间间隔记为T₁，第i个基站接收信号和发出回应信号的时间间隔为T_2i，光速为c，根据

这里有

将标签到各基站的距离差的信息汇总到第四基站4，发送至PC端：

步骤4：

据此可以解算出一组标签的坐标(x₀,y₀,z₀)。由于在使用超宽带定位技术时，室外有复杂的电磁干扰，会导致测量出的距离值不理想，解算出的标签坐标不准确。针对这一问题，以(x₀,y₀,z₀)为初始值，使用高斯牛顿迭代法逼近，得到最接近真实值的标签坐标(x，y，z)。

步骤5：根据标签的三维位置(x，y，z)，PC端8通过无线数据传输模块9向无人机发送飞行控制指令，引导其飞向目标降落区域4的正上方，检测到达目标点后，实现降落。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施方式和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于无线导航的无人机室外移动平台自主降落方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在降落平台(6)上确定目标降落区域，选择目标降落区域内一点作为坐标原点，建立空间直角坐标系，并在原点位置处设置第四基站(4)，在xyz三个坐标轴正向分别设置第一基站(1)、第二基站(2)和第三基站(3)；

2)无人机上安装作为定位标签的UWB模块(7)以及分别与PC端(8)通信的无线数传模块(9)；

3)采用TOA算法测量定位标签分别与第一基站(1)、第二基站(2)和第三基站(3)之间的距离L_i，并据此解算得到定位标签的初始位置坐标；

4)采用高斯牛顿迭代法对初始位置坐标进行优化得到最接近真实值的标签位置坐标；

5)PC端(8)根据标签位置坐标，通过无线数据传输模块(8)向无人机发送飞行控制指令，引导其飞向目标降落区域的正上方，检测到达目标点后完成降落。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线导航的无人机室外移动平台自主降落方法，其特征在于，所述的降落平台(6)为静止降落平台或移动降落平台。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线导航的无人机室外移动平台自主降落方法，其特征在于，所述的步骤3)中，定位标签与第i基站之间的距离L_i的表达式为：

其中，c为光速，T₁为定位标签发送信号和接收回应信号的时间间隔，T_2i为第i个基站接收信号和发出回应信号的时间间隔。

4.根据权利要求3所述的一种基于无线导航的无人机室外移动平台自主降落方法，其特征在于，所述的步骤3)中，通过以下公式解算得到定位标签的初始位置坐标(x₀,y₀,z₀)：

其中，(x,y,z)为位置坐标，(a，0，0)、(0，b，0)、(0，0，c)分别为第一基站、第二基站、第三基站的坐标。

5.根据权利要求3所述的一种基于无线导航的无人机室外移动平台自主降落方法，其特征在于，所述的步骤4)中，高斯牛顿迭代法具体包括以下步骤：

41)定义定位标签到第i个基站距离为f(α,β)，则有：

α＝(a_i，b_i，c_i)

β＝(x,y,z)

其中，α为第i个基站的坐标，β为定位标签的坐标；

42)计算残差平方和S，则有；

r_i＝L_i-f(α,β)

其中，r_i为残差；

43)为使残差平方和S最小，令偏导数为0，则有：

β_k+1＝β_k+Δβ

其中，下标k表示迭代次数，Δβ为迭代矢量；

44)在β_k处对f(α,β)进行泰勒展开，并省略二阶以上的偏导数项，此时的残差表示为：

45)令

化简得：

J^TJΔβ＝J^T(L_i-f(α，β_k))

即：

β_k+1＝β_k+(J^TJ)^-1J^T(L_i-f(α，β_k))

46)以初始位置坐标β₀＝(x₀，y₀,z₀)为初始值，进行迭代，当满足设定的误差率后，停止迭代，输出真实值，即标签位置坐标。

6.一种基于无线导航的无人机室外移动平台自主降落系统，其特征在于，该系统包括：

无人机(5)：用以实现跟踪降落；

UWB定位系统：包括多个定位用的基站以及安装在无人机(5)上的UWB模块(7)，用以实现无人机(5)的实时测距定位；

PC端(8)：用以实现位置信息解算以及生成控制指令；

无线数传模块(9)：安装在无人机(5)上，用以传输无人机(5)相对目标降落区域的距离以及PC端(8)的飞行控制指令。

7.根据权利要求6所述的一种基于无线导航的无人机室外移动平台自主降落系统，其特征在于，所述的目标降落区域设置在降落平台(6)上，以目标降落区域内的一点为原点建立空间直角坐标系，并分别在原点以及各坐标轴上分别设置基站。

8.根据权利要求6所述的一种基于无线导航的无人机室外移动平台自主降落系统，其特征在于，所述的UWB模块(7)包括相互连接的控制器和无线收发芯片。

9.根据权利要求8所述的一种基于无线导航的无人机室外移动平台自主降落系统，其特征在于，所述的无线收发芯片型号为DW1000。

10.根据权利要求8所述的一种基于无线导航的无人机室外移动平台自主降落系统，其特征在于，所述的控制器为STM32单片机。

Images